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來(lái)源: 文匯報 復旦大學(xué)團隊近日在綠色氫氣生產(chǎn)領(lǐng)域取得新突破，研發(fā)新型嵌入式催化劑，顯著(zhù)提升綠氫生產(chǎn)效率和穩定性。目前該成果已進(jìn)入轉化階段，項目中試產(chǎn)線(xiàn)一期建設完成，可生產(chǎn)催化劑漿料和膜電極產(chǎn)品，服務(wù)光學(xué)、能源、半導體領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)需求。該成果有望加速促進(jìn)綠氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為綠色氫能的可持續發(fā)展奠定里程碑。2月14日，相關(guān)成果以《熟化誘導嵌入形成的超穩定析氧反應電催化劑》為題發(fā)表于《科學(xué)》主刊。 當前，PEMWE電解水技術(shù)是生產(chǎn)綠色氫氣最前沿的技術(shù)之一，然而，其廣泛應用仍面臨諸多技術(shù)瓶頸，主要挑戰之一便是催化劑的性能問(wèn)題。目前采用的催化劑是銥及其氧化物（IrOₓ），其高昂的成本和稀缺性限制了大規模應用。同時(shí)，銥基催化劑的催化活性和穩定性，尚無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)綠色氫能產(chǎn)業(yè)的需求。因此，開(kāi)發(fā)一種低成本、高效且穩定的催化劑，成為全球學(xué)術(shù)界和工業(yè)界迫切需要解決的核心問(wèn)題。 為此，復旦大學(xué)張波、徐一飛、段賽、徐昕合作團隊創(chuàng )造性提出“熟化誘導嵌入方法”，合成了具有極高催化活性和穩定性的銥/鈰嵌入式負載催化劑，在減少貴金屬銥用量的同時(shí)，顯著(zhù)提高了綠色氫氣的生成效率。與國內外競品性能對比，新型催化劑比貴金屬催化劑成本降低80%；能量效率提升65%；催化劑穩定性更好，加速老化實(shí)驗數萬(wàn)小時(shí)無(wú)衰減。 
熟化誘導嵌入式催化劑的設計思路示意圖 張波打了一個(gè)形象的比方，“負載型催化劑看上去就像我們早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化銥，正是這些‘芝麻’在發(fā)揮催化作用�！钡@種結構導致電解水制氫過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量氣泡，不斷沖刷催化劑，讓“芝麻”易脫落。為了解決這個(gè)問(wèn)題，張波想到了牙齒的構造：“牙齒是種在牙床上的，如果把‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么氣泡再沖刷，‘芝麻’也不會(huì )輕易脫落了�！� 由此，實(shí)驗團隊與理論計算團隊進(jìn)一步合作。徐昕教授團隊通過(guò)自主研發(fā)的算法及嚴密的理論計算，讓“麻球”生長(cháng)的速度和表面“芝麻”生長(cháng)的速度相匹配，才能使其恰好達成一半在外一半嵌入的效果。 此外，尖端科研儀器的應用，使得催化劑合成生長(cháng)過(guò)程能夠“眼見(jiàn)為實(shí)”。青年研究員徐一飛利用冷凍透射電鏡以及冷凍電子斷層掃描技術(shù),通過(guò)時(shí)間分辨的合成過(guò)程，清楚地看到“芝麻”顆粒怎么長(cháng)大、怎么嵌入，進(jìn)而能夠實(shí)現更好地控制生長(cháng)速度。
新型催化劑形成過(guò)程檢測 測試結果顯示，熟化誘導嵌入方法顯著(zhù)提高了催化劑在長(cháng)期運行中的活性和穩定性，全面超過(guò)相關(guān)國際標準。根據實(shí)驗結果估算，由此制備出來(lái)的PEMWE設備壽命高達15年以上。 張波表示，傳統能源取決于家里有礦，新能源取決于工業(yè)制造能力。這一研究成果，標志著(zhù)PEMWE技術(shù)在催化劑設計方面的重大突破，將大大推動(dòng)綠色氫氣產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。隨著(zhù)PEMWE技術(shù)的不斷發(fā)展，氫氣的應用領(lǐng)域也將不斷拓寬，從傳統的工業(yè)領(lǐng)域到電動(dòng)交通、分布式發(fā)電、能源存儲等多個(gè)領(lǐng)域，氫能有望成為未來(lái)全球能源體系的支柱之一。 未來(lái)，基于自主建立的催化劑設計與合成平臺及先進(jìn)研究手段，研究團隊計劃進(jìn)一步拓展催化劑材料研究，為綠色氫氣生產(chǎn)提供更多創(chuàng )新方案。團隊還依托復旦大學(xué)孵化的山海氫（上海）新能源科技有限公司，推廣成熟技術(shù)的落地產(chǎn)品化。 |
